義手製造に革新を起こす大気圧低温プラズマ技術を開発　シリコーンゴムの接着性を飛躍的に向上

～サンラインと愛和義肢製作所が共同開発～

2024-07-09 10:00

釣り糸等繊維の製造・販売を行う株式会社サンライン(所在地：山口県岩国市玖珂町1600-21、代表取締役社長：梶尾延行)と、義肢の製造を行う株式会社愛和義肢製作所(所在地：東京都練馬区栄町19-4、代表取締役：林伸太郎)は、大気圧低温プラズマを利用した義手製造技術を共同開発しました。

共同開発した義手製造技術は、シリコーンゴム製の義手の表面に大気圧低温プラズマを照射してプラズマ処理する新技術で、義手を身体に固定するための面ファスナーの接着強さを約10倍以上向上させました。義手の耐久性を向上するだけでなく、プライマーなどの薬液処理や研磨などの下地処理を削減することで、義手製作を担う義肢装具士の作業環境を改善しました。

今後、義肢装具への実装アプローチに向け、東京電機大学大西謙吾教授の主導のもと共同研究を準備中です。義肢装具の安全向上や義肢装具士の環境改善に広く貢献するため、株式会社サンラインは義肢装具製造用の大気圧低温プラズマ装置を発売する予定です。

(1)技術開発の背景と動機
義肢装具では、疎水性・離型性・化学的安定性・耐熱性・弾性的特性などの物理的特性や、低アレルギー性・生体適合性の特長があることから、義肢の素材としてシリコーンゴムが広く利用されています。しかし、疎水性や離型性、化学的安定性により、接着性が困難な素材でもあります。
特に、義肢固定方法として使用される合成繊維製の面ファスナーは、シリコーンゴムへの接着が困難であるため、面ファスナーの着脱時の応力によってはく離する問題がありました。
この問題を解決するために、プライマー剤(化学薬品)を塗布する薬液処理をしたり、シリコーンゴムの接着面を研磨する下地処理をしたりすることで接着性を改善する方法が採用されてきましたが、義肢装具士の作業負担が増大し、化学薬品による人体への影響も懸念されていました。

(2)開発した技術の詳細と特長
株式会社サンラインと株式会社愛和義肢製作所は、難接着性素材であるシリコーンゴムと合成繊維製の面ファスナーの接着性を、大気圧プラズマ処理を応用することで、プライマー剤などの薬液処理や研磨などの下地処理を行わず、強固に接着するプロセスを開発しました。

図2. 義手の素材であるシリコーンゴムの試験片に大気圧低温プラズマを照射する様子

○ メカニズム
大気圧低温プラズマ技術は、薬液を使用せず、物質の表面を改質することで親水性や接着性を向上させることができます。シリコーンゴムと面ファスナーに大気圧低温プラズマを照射してプラズマ処理し、その表面に接着剤を塗布して接着することで、プラズマ未処理に比べ接着強さが約10倍以上向上しました。

○ 利点
この技術により得られる利点は次の通りです。
・耐久性の向上　：シリコーンゴムと面ファスナーの接着強度が
　　　　　　　　　約10倍に向上し、義手の耐久性が向上
・作業効率の改善：プライマー剤や研磨などの前処理が不要になり、
　　　　　　　　　作業時間を短縮。
・安全性の向上　：化学薬品を使用しないため、
　　　　　　　　　作業者および使用者の安全性が向上。

○ 特長
シリコーンゴムなど難接着性素材の接着性改善方法の一つとして、プラズマ処理があります。プラズマ処理法には、真空プラズマやグライディングアークプラズマ(大気圧)などが存在しますが、これらのプラズマ処理法は、スループット性や義肢装具士の作業の安全性の観点から義肢製造用には適していません。
株式会社サンラインの「低温」「ダメージフリー」の大気圧低温プラズマや、10年以上にわたる釣り糸(合成繊維)へのプラズマ処理の知見と、株式会社愛和義肢製作所の審美性・機能性を実現する卓越した義手製作技術とを組み合わせて共同開発することで、義手製造に適したシリコーンゴムと面ファスナーの接着性を改善する新しいプロセスを開発しました。

(3)技術開発のデータ
図3は、大気圧低温プラズマを一定時間照射してプラズマ処理したシリコーンゴムの表面を、電子顕微鏡を用いて拡大観察した図を示します。
大気圧低温プラズマの照射有無によって、表面の形状は変化していません。すなわち、大気圧低温プラズマの照射が、照射対象物の表面に物理的な影響をほとんど与えないことがわかりました。

図4-1は、大気圧低温プラズマを一定時間照射してプラズマ処理し、接着したシリコーンゴム(幅10mm×長さ120mm)と面ファスナー(幅10mm×長さ120mm)の接着強さ(接着面積1cm2)を示します。A・B・C・Dはそれぞれプラズマを生成するのに使用したガスの種類が異なります。試験はT型はく離接着強さ試験方法(JIS K 6854(1999))を参考に実施し、試験速度300mm/minで測定しました。(図4-2)
プラズマ処理は、プラズマ未処理の場合に比べ、接着強さが約10倍以上向上しました。また、接着強さはプラズマを生成するガスの種類によって異なることがわかりました。

図5及び6は、T型はく離接着強さ試験後のシリコーンゴムと面ファスナーの、接着部分の全体と、電子顕微鏡を用いて接着部分を拡大観察した図を示します。
大気圧低温プラズマを照射していない試験片は、シリコーンゴム表面で界面はく離(※1)しています。一方、大気圧低温プラズマを照射した試験片は、シリコーンゴム表面が材料破壊(※2)しています。

※1　界面はく離：シリコーンゴムと接着剤との界面ではく離している状態
※2　材料破壊：シリコーンゴムの材料強度を上回る接着強さが得られている状態

(4)開発担当者の声
耳にしたことはあるけど一体何なのか実態がわからない「プラズマ」に、私たち社員は、最初は戸惑い、扱い慣れないガスを準備したりと導入当初は正直不安が付きまといましたが、操作もとても簡単で、今では無くてはならない装置となりました。シリコーンゴムと異材料はくっつかないものと半ばあきらめていたので、この接着クオリティには大変満足しています。(株式会社愛和義肢製作所)

大気圧低温プラズマはあらゆる分野の製造工程で使われ始めていますが、一般的には認知が広まっていない技術です。このたび、「義手」という大切な身体の一部に当社の大気圧低温プラズマをご活用いただくにあたり、より多くの方に“プラズマ”を知っていただき、この技術によって1人でも多くの方に寄り添ってまいりたいと願っています。(株式会社サンライン)

(5)今後の展望
義肢装具業界では、義肢装具の使用上の安全性や義肢装具士の作業環境をさらに向上するため、有機溶剤などの化学薬品の使用量を削減する取組みを進めています。
今回共同で開発した大気圧低温プラズマを用いたプロセスは、薬液不使用や工程削減を実現することで、義肢装具業界の目指す義肢装具の安全向上や義肢装具士の作業環境改善に広く貢献することが期待されます。
また、既に東京電機大学大西謙吾教授(※3)の主導のもと研究準備として課題抽出が行われ、義肢装具への実装アプローチをスタートしています。
同時に、株式会社サンラインは、2023年10月にスタートした新規事業「Plastas(プラスタス)」の＋Care(プラスケア)の一環として、義肢装具士が扱い易いハンディタイプで、高価な希ガスを使用せず安価なランニングコストを実現できる大気圧低温プラズマ装置を発売する予定です。
今後は、義肢装具メーカーを含め隣接する医療福祉機器メーカー等へのプラズマ装置販売、大学等の研究機関との先進的な共同開発を促進しあらゆる課題解決に積極的に向き合いプラズマ技術の可能性を広げ社会貢献に努めます。

※3　大西謙吾教授
東京電機大学　理工学部理工学科　電子情報・生体医工学系

(6)受賞歴等
株式会社サンライン　＊大気圧低温プラズマ技術に関連する受賞
・第13回山口県産業技術振興奨励賞山口県知事賞受賞(2021.10.8)
・令和6年度科学技術分野の文部科学大臣表彰技術部門科学技術賞受賞(2024.4.17)

(7)会社概要
商号　　：株式会社サンライン
代表者　：代表取締役社長　梶尾延行
所在地　：〒742-0315　山口県岩国市玖珂町1600-21
設立　　： 1977年8月8日
事業内容：レジャー、水産、業務用釣り糸の製造、加工、販売
　　　　　産業資材用モノフィラメントの製造・加工・販売
　　　　　各種釣具の仕入・販売
　　　　　大気圧低温プラズマ技術の実験・開発・加工等
資本金　： 9,600万円
URL　　：コーポレートサイト https://sunline.co.jp/
　　　　　プラズマ事業サイト https://plasma.sunline.co.jp/

商号　　：株式会社愛和義肢製作所
代表者　：代表取締役　林伸太郎
所在地　：〒176-0006　東京都練馬区栄町19-4
設立　　： 2004年1月23日
事業内容：更生用義肢、各種開発受託、技術研修、講演活動
　　　　　義肢装具の分野を中心とした
　　　　　装飾性・審美性・機能性の向上を目的とした製品の提供
資本金　： 1,000万円
URL　　： https://www.aiwa-gishi.jp/